Краткие сведения об элементах обобщенной схемы электронно-оптического прибора

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

РЕФЕРАТ

На тему:

«КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕМЕНТАХ ОБОБЩЕННОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОГО ПРИБОРА»

МИНСК, 2008

1. Источники излучения и промежуточная среда.

В зависимости от задач, решаемых конкретной оптико-электрон­ной системой, источник излучения может являться объектом наблю­дения (целью) или фоном.

Если иметь в виду физическую природу излучения источника, то следует прежде всего различать собственное и отраженное излучение.

Однако наиболее часто классифицируют источники излучения по таким признакам, которые позволяют отнести их к одной из двух

больших групп— естественным и искусственным источникам излучения. Классификация источников излучения по этим признакам приведена на рис.3.

К искусственным ис­точникам излучения, ис­пользуемым в активных системах (источники под­светки), относятся лампы накаливания,газоразрядные и дуговые лампы, пиротехнические источники излучения и оптические квантовые генераторы (лазеры).

Эталонными источниками излучения наиболее часто являются модели абсолютно черного тела, в качестве которых могут исполь­зоваться либо специально обработанные поверхности и покрытия, либо полые излучатели. Функции эталонных источников выполняют также различные лампы и оптические квантовые генераторы, приме­няемые при калибровке приборов и имитации излучения фонов и целей.

К наземным естественным и искусственным источникам излучения можно отнести деревья, кусты, камни, землю, воду, песок, здания, транспортные средства, людей, животных и т. д. В атмосфере Земли существуют такие источники излучения, как атмосферные газы, пары воды, облака, пыль, полярные сияния, двигатели и обшивка самолетов, ракеты и др. Космическими источниками излучения являются Солнце, Луна, планеты, звезды,туманности, искусственные спутники Земли (ИСЗ), ракеты, космическая пыль и пр.

Отдельные детали и узлы аппаратуры могут излучать значитель­ное количество энергии, воспринимаемой приемником. К ним отно­сятся элементы объектива — линзы и зеркала, а также защитные окна и обтекатели. Эти источники излучения называются аппара­турными.

Между источниками излучения и прибором всегда существует некоторая среда, в которой происходит ослабление энергии за счет поглощения и рассеяния. Большей частью поглощающей и рассеивающей средой является земная атмосфера, в которой происходит погло­щение излучения молекулами воды, углекислого газа и озона, а рас­сеяние связано с наличием скопления молекул атмосферных газов, частиц пыли и капелек воды.

2. Оптическая система.

Поток излучения от его источников (цели и фона) после прохожде­ния через ослабляющую среду воспринимается оптической системой оптико-электронного прибора, которая состоит из различного рода комбинаций защитных стекол, линз, зеркал, призм, диафрагм, щелей, фильтров, решеток и выполняет две главные функции. Первая функция состоит в том, чтобы собрать возможно больший поток приходящего излучения и с минимальными потерями направить его на приемник.

Вторая функция оптической системы заключается в оптической фильтрации приходящего сигнала, с целью увеличения отношения величины сигнала к шуму фона. Различают два вида оптической фильтрации — спектральную и пространственную. Спектральная фильтрация осуществляется с помощью оптических фильтров (абсорб­ционных, дисперсионных, отражающих и интерференционных, т. е. оптических материалов — стекол и кристаллов, а также диэлектри­ческих и металлических покрытий, нанесенных на оптические мате­риалы) и имеет целью ограничить излучение, падающее на приемник, определенным интервалом длин волн. Фильтры могут ограничивать спектральный диапазон пропускания с одной стороны, «отрезая» коротковолновое или длинноволновое излучение, или с двух сторон, выделяя определенную полосу. Пространственная фильтрация осуществляется пространственными фильтрами — диафрагмами, щелями, растрами и служит для выделения излучения цели из излу­чения фона за счет отличия геометрических размеров и формы соот­ветствующих целей от элементов фона.

Дополнительными функциями оптической системы в различных оптико-электронных приборах являются обеспечение необходимого поля обзора при заданном поле зрения, обеспечение процесса слеже­ния за целью или получения информации о ее координатах, модуля­ция постоянной составляющей излучения, падающего на чувстви­тельную площадку приемника, защита внутренней полости прибора от пыли, влаги и других вредных воздействий окружающей среды.

В процессе концентрации потока излучения на чувствительной площадке приемника неизбежно происходят его потери в обтекателе,. линзах, зеркалах, элементах, осуществляющих пространственную фильтрацию, и на поверхности приемника. Эти потери связаны с поглощением энергии в оптических материалах, неполным отраже­нием зеркал, виньетированием и другими причинами. Тем не менее в результате применения оптической системы поток излучения, падающий на приемник, в той или иной мере усиливается. Наиболь­шее усиление достигается для случая наблюдения удаленных мало­размерных (точечных) объектов, когда изображение объекта наблю­дения полностью вписывается в размеры чувствительной площадки приёмника излучения. При этом усиление равно отношению площади входного зрачка объектива к площади чувствительной площадки приемника с учетом всех потерь в оптической системе. Общий коэф­фициент пропускания оптической системы редко превышает 20 %,особенно если учесть, что более 50 % излучения теряется за счет модуляции. Дополнительные потери происходят на поверхности чув­ствительной площадки и в объеме приемника излучения. Например,от поверхности сернистосвинцового фоторезистора отражается и, следовательно, теряется около 35 % падающего излучения, если применяется неиммерсионная оптическая система.

Важнейшей частью оптической системы любого оптико-электрон­ного прибора является объектив (рис.4), который служит в первую очередь для сбора (фокусирования) энергии и образования изображе­ния наблюдаемого объекта и всего поля излучения. Требования к качеству этого изображения определяются задачами, стоящими перед всем прибором, условиями его работы и конструктивными особенностями. При выборе конструкции объектива всегда прихо­дится искать компромиссное решение с точки зрения улучшения пропускания, т. е. уменьшения потерь излучения, и обеспечения заданного качества изображения.

Простейшим объективом является одна линза со сферическими поверхностями. Линза характеризуется четырьмя параметрами: ра­диусами кривизныR_>1> и R_>2>, показателем преломления п и толщиной /\. Параллельный пучок лучей, падающих на линзу от бесконечно удаленного точечного источника, фокусируется за линзой на расстоя­нии f' от нее. Отрезок f', называемый задним фокусным расстоянием линзы, определяется выражением f' = R_>1>R_>2>/(n — 1) (R_>2> — R_>1>).

В первом приближении можно считать, что линза со сферическими поверхностями преобразует падающую на нее плоскую волну в сфери­ческую. Однако практически даже при идеально сферических по­верхностях линзы фронт волны на выходе будет иметь отклонения от идеальной сферы, называемые аберрациями. Для улучшения сферичности волнового фронта, т. е. уменьшения аберраций, поверхностям линз придается несферическая или асферическая форма. Но и при полном уничтожении аберраций изображение точечного источника излучения, создаваемое оптической системой, представляет собой не точку, а пятно конечных размеров в связи с ограниченными размерами отверстия объектива, приводящими к дифракции падающей световой волны. Качество изображения менее совершенных систем определяется расфокусировкой, сферической аберрацией, комой, астигматиз­мом и т. д.

Однолинзовый объектив имеет практически все виды аберраций, из которых особенно велики хроматизм и сферическая аберрация, поэтому основным его недостатком является плохое качество изобра­жения. Гораздо лучшего качества можно добиться, используя про­стые двухлинзовые объективы. Их относительное отверстие (отноше­ние диаметра к/фокусному расстоянию) обычно не превышает 1 : 3 при угле поля зрения до 10° и диаметре входного зрачка не более 100—150 мм. Для достижения хорошего качества изображения при больших" углах поля зрения применяют более сложные системы — триплеты и многолинзовые объективы, которые, однако, обладают относительно худшим пропусканием.

В качестве материала для изготовления линз и окон в тепловиде­нии обычно используются различные оптические среды: полупровод­никовые материалы кремний и германий в виде моно- и поликристал­лов; поликристаллические соединения, полученные горячим прессо­ванием, — оптическая керамика («Иртран» в США); селенид цинка (ZnSe) и сульфид цинка (ZnS), полученные путем химического осажде- ния из газовой фазы; а также халькогенидные стекла типа ИКС (Т11173 фирмы «Тексас инструменте» в США). Особенно широко используются кремний и германий, благодаря высоким показателям преломления (4,0 для германия и 3,4 для кремния) и механической прочности.

Многие недостатки линзовых оптических систем отсутствуют у зеркальных объективов. В качестве простейшего объектива в этом случае часто используется одиночное (сферическое) зеркало. Для сферического зеркала с радиусом кривизны поверхности, равным R, приближенное значение фокусного расстояния равно R/2. Если. вместо зеркала со сферической поверхностью применить асферическое зеркало (параболическое, гиперболическое и т. д., можно устранить сферическую аберрацию и улучшить качество изображения. До­вольно широко используются и более сложные зеркальные объективы, например двухзеркальные, включающие в себя кроме основного вогнутого зеркала с отверстием в центральной зоне контррефлектор, который может быть плоским, вогнутым или выпуклым, в том числе и по асферической поверхности. Зеркальные объективы не обеспечи­вают хорошего качества изображения в широком поле зрения. Нали-чие контррефлектора приводит к экранированию части приемной поверхности зеркального объектива. Многие достоинства линзовых и зеркальных систем объединены в зеркально-линзовых оптических системах, в которых, наряду с достаточно хорошим пропусканием,можно достичь больших относительных отверстий и значительных углов поля зрения. К зеркально-линзовым системам относятся си­стемы Шмидта, Максутова и другие. Применение в зеркально-линзо­вых системах зеркал Манжена (с внутренним отражением) позволяет значительно уменьшить сферическую аберрацию.

В оптико-электронном приборе фокусирующая оптическая система представляет собой один из элементов тракта передачи и прербразования сигнала (и элементов фона). Именно это ее свойство,влияющее на процесс обработки информации, подлежит изучению .

Внутренняя структура и аберрационные свойства фокусирующих оптических систем составляют предмет геометрической оптики.

3. Приемники излучения (определение и классификация)

Приемник излучения является основным элементом оптико-электронного прибора. По существу, само название приборов — оптико-электронные—обязано свойству приемника преобразовывать поток излучения в электрический сигнал.

Существуют различные определения приемника излучения, однако все они отражают главное свойство приемника — способность обна­руживать наличие излучения путем преобразования его в энергию других видов для последующей регистрации. В иностранной техни­ческой литературе это свойство приемника излучения находит выражение в названии — детектор, т. е. обнаружитель.

Таким образом, приемник излучения представляет собой устрой­ство, служащее для восприятия энергии излучения и преобразования ее в энергию других видов с целью последующей регистрации резуль­тата этого преобразования, приводящей к обнаружению.

Процесс обнаружения излучения состоит из двух основных этапов: преобразования энергии оптического излучения в другой вид энергии и регистрации преобразованной энергии. Например, в термо­элементе поток излучения вызывает появление электродвижущей силы, которая регистрируется обычным образом (гальванометром); в эвапорографе энергия излучения поглощается и вызывает нагрев и испарение масляной пленки, изменение толщины которой регистри­руется интерференционными методами и т. д.

Приемники излучения могут классифицироваться по следующим признакам: виду энергии, в которую преобразуется излучение; характеру изменения чувствительности приемника при изменении длины волны падающего излучения; области спектра, где они наибо­лее чувствительны и находят наибольшее применение; рабочей температуре чувствительного слоя.

По виду энергии, в которую преобразуется излучение, приемники излучения делятся на тепловые, фотоэлектрические или фотонные, люминесцентные, фотохимические.

В тепловых приемниках энергия излучения преобразуется в теп­лоту, а регистрация преобразования сводится к измерению прираще­ния температуры приемной площадки, нагретой вследствие облуче ния. Способ регистрации изменения температуры определяет кон­кретный тип теплового приемника излучения.

В термоэлементе изменение температуры приемной площадки вызывает появление электродвижущей силы в контуре, образованном двумя спаянными или сваренными проводниками из различных металлов.

В болометре изменение температуры вызывает изменение электри­ческого сопротивления проводника или полупроводника.

В оптико-акустическом приемнике изменение температуры прием­ной поверхности, образующей одну из стенок газовой камеры, вызы­вает изменение температуры и объема газа и прогиб мембраны — второй стенки газовой камеры.

В эвапорографе изменение температуры вызывает изменение толщины масляной пленки.

В диэлектрическом приемнике изменение температуры вызывает изменение диэлектрической проницаемости диэлектрика конденса­тора, имеющей сильную температурную зависимость, и соответствую­щее изменение емкости конденсатора регистрируется. Разновидностью диэлектрического приемника является пироэлектрический приемник излучения, в котором диэлектриком конденсатора служит сегнето-электрик, т. е. вещество, на поверхности которого появляется элек­трический заряд при механических деформациях.

Неравномерный нагрев конденсатора приводит к деформациям, и на обкладках конденсатора возникают заряды, которые регистрируются.

В термиконе изменение.температуры вызывает изменение вели­чины фотоэмиссии и т.д.

В фотоэлектрических (фотонных) приемниках энергия излучения преобразуется в механическую энергию электронов, испускаемых облучаемым веществом. Если электроны, освобожденные квантами излучения, покидают вещество, из атомов которого они вырваны, то явление носит название внешнего фотоэффекта, если же электроны остаются в веществе, то явление называется внутренним фотоэффек­том. Влияние внутреннего фотоэффекта на характеристики вещества может быть различным в зависимости от условий, которые созданы для освобожденных электронов. Если они могут перемещаться внутри вещества в любом направлении, то вещество остается нейтральным и лишь электропроводность его изменяется. Если же в веществе созда- ются условия односторонней проводимости и электроны могут перемещаться лишь в одном направлении, то в веществе возникает разность потенциалов, создающая ток во внешней цепи.

Фотоэлектрические приемники излучения, в которых использу­ется явление внешнего фотоэффекта, называются фотоэмиссионными приемниками. К ним относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фотоумножители, электронно-оптические преобразо­ватели (ЭОПы) и некоторые телевизионные передающие трубки (диссектор, иконоскоп, суперконоскоп, ортикон, суперортикон и др.).

Приемники с внутренним фотоэффектом, в которых используется явление изменения электропроводности вещества, называются фото­резисторами или фотосопротивлениями.

Приемники, в которых используется явление возникновения э. д. с, называются фотогальваническими, вентильными фотоэлемен­тами или фотоэлементами с запорным слоем.

Если в качестве контактирующих веществ в вентильном фото­элементе применяются полупроводники с различным типом проводи­мости, то наряду с возникновением разности потенциалов между слоями с р- и п-проводимостью при неравномерном освещении чувствительного слоя образуется разность потенциалов вдоль р-n-перехода. Эту фото-э. д. с. называют продольной или боковой, а соответствующие приемники — фотоэлементами с продольным или боковым эффектом.

Если к чувствительному элементу приемника излучения с запор­ным слоем приложить напряжение так, что оно препятствует возник­новению тока во внешней цепи приемника при освещении, то измене­ние величины потенциального барьера под действием излучения приводит к изменению сопротивления и падению напряжения на приемнике. Этот режим работы называют фотодиодным. Изменение тока, проходящего через фотодиод при освещении, может усили­ваться, как в обычном полупроводниковом триоде, тем же полупро­водником, в котором создан запорный слой. В этом случае соответ­ствующий комбинированный приемник излучения называется фото­триодом. Условия односторонней проводимости и, следовательно, появления э. д. с. при освещении, можно создать в полупроводнике, помещая его в магнитное поле, ориентированное по нормали к падаю­щему излучению. В этом случае носители тока (электроны и дырки) отклоняются магнитным полем в противоположные стороны, что приводит к возникновению в образце разности потенциалов. Описан­ное явление носит название фотомагнитного эффекта.

В люминесцентных приемниках излучения происходит преобразо­вание излучения одного спектрального состава в излучение другого спектрального состава. Типичным представителем этого типа прием­ников является метаскоп — светосостав, высвечивающийся под действием ИК-излучения за счет накопленной им световой энергии при предварительном облучении ультрафиолетом, синим излучением неба или радиоактивным веществом.

В фотохимических приемниках энергия излучения вызывает всевозможные химические превращения. В фотопластинке, напри­мер, происходит фотохимическая реакция разложения галоидных солей серебра, причем металлическое серебро выделяется, образуя скрытое изображение источника излучения. В глазу, человека под действием света в светочувствительных элементах сетчатки происхо­дит фотохимический процесс, при котором продукты разложения вызывают раздражение зрительного нерва и световое ощущение.

В зависимости от характера изменения чувствительности при­емника при изменении длины волны падающего излучения приемники излучения можно разделить на две большие группы: неселективные, чувствительность которых остается постоянной в определенном доста­точно широком участке спектра; селективные, чувствительность кото­рых зависит от длины волны падающего излучения.

К неселективным приемникам, в частности, относится большинство тепловых приемников излучения, у которых обеспечивается постоян­ство коэффициента поглощения приемной площадки при изменении длины волны за счет чернения — покрытия копотью, испарения металлов в вакууме и т. д.

Приемники излучения можно относить к одной из пяти больших групп для областей спектра: ультрафиолетовой (1—380 нм); видимой (380—780 нм); ближней ИК-области (780—1400 нм); средней ИК-об-ласти (1,4—6,0 мкм); далекой ЙК-области (6,0—1000 мкм).

К первой группе относятся фотоэмульсии, некоторые фотоэмис­сионные приемники, тепловые приемники и фоторезисторы.

Ко второй группе — фотоэмиссионные приемники, главным обра­зом с сурьмяно-цезиевым фотокатодом, фотоэмульсии, селеновые фотогальванические приемники, фоторезисторы из сернистого и селенистого кадмия и сернистого висмута, кремниевые фотогальвани­ческие приемники (солнечные батареи) и тепловые приемники.

К третьей группе — фотоэмиссионные приемники с кислородно-цезиевым фотокатодом, сенсибилизированные фотоэмульсии, серни-.сто-таллиевые фоторезисторы и фотогальванические приемники (тал-лофиды), меднозакисные и сернисто-серебряные фотогальванические приемники, тепловые приемники, некоторые, фосфоры, сернисто-свинцовые фоторезисторы, германиевые и кремниевые фотодиоды и фототриоды.

К четвертой группе — сернисто-свинцовые, теллуристо-свинцовые и селенисто-свинцовые фоторезисторы, фоторезисторы, фото­диоды и фотомагнитные приемники из сурьмянистого индия, фото­резисторы из германия, легированного золотом, и тепловые при­емники.

К пятой группе — тепловые приемники излучения, фоторези­сторы из германия, легированного цинком или ртутью, фоторезисторы на основе тройных соединений, например кадмия—ртути—теллура.

Классификация приемников излучения по тем областям спектра, где они наиболее чувствительны и находят наибольшее применение, является достаточно условной, так как многие приемники исполь­зуются в различных участках спектра. В ряде случаев такая класси­фикация представляется оправданной, удобной и не исключает опре­деления некоторых приемников как двух- и многодиапазонных, если это необходимо.

В принципе возможны любые температуры чувствительного слоя приемника, однако наиболее часто для неохлаждаемых приемников указываются значения «комнатной» температуры 293 К или 300 К, а для приемников охлаждаемых называются точки кипения различных веществ, используемых для охлаждения: 194,7 К—твердой угле­кислоты или сухого льда; 77,4 К — жидкого азота; 27,3 К — жидкого неона; 20,5 К — жидкого водорода; 4,3 К — жидкого гелия. В по­следних трех случаях, когда температура ниже 30 К, приемники называют глубокоохлаждаемыми.

При комнатной температуре работает большинство тепловых приемников излучения, фотоэмиссионные приемники, фотопластинки, фосфоры, сернисто-свинцовые фоторезисторы фоторезисторы из сурьмянистого индия и некоторые другие приемники. При темпера­туре сухого льда — фоторезисторы из сернистого свинца, а также некоторые тепловые приемники (термоэлементы и болометры). При температуре жидкого азота — фоторезисторы из сернистого, селе­нистого и теллуристого свинца, сурьмянистого индия, германия, легированного золотом, фотогальванические и фотомагнитные при­емники из сурьмянистого индия, фоторезисторы на основе тройных соединений, тепловые приемники. При сверхнизких температурах — фоторезисторы из германия, легированного ртутью или цинком, а также тепловые приемники — сверхпроводящие и германиевые болометры.

Классификация приемников излучения поразличным признакам представлена на рис. 5.

4. Усилитель и другие элементы электронного тракта

Сигнал, вырабатываемый приемником излучения, обычно невелик: он составляет несколько единиц или десятков микровольт. Для того чтобы извлечь из него и использовать информацию, необходимо усилить сигнал. В качестве усилителей сигнала большей частью используются различного рода усилители переменного тока, так как сигнал в оптико-электронном приборе обычно модулируется меха­ническими, оптическими или электронными средствами. В зависи­мости от схемы и задач, решаемых конкретным оптико-электронным прибором, форма модулированного сигнала, поступающего на вход усилителя, может быть различной. Иногда это периодический сигнал, форма которого близка к синусоидальной, однако часто встречаются и непериодические последовательности импульсов различной формы. Выходной сигнал приемника излучения обычно поступает на вход усилителя не непосредственно, а через согласующую схему, назы­ваемую входной цепью, Выбор элементов входной цепи является достаточно важной задачей, решать которую приходится самому разработчику оптико-электронного прибора,, в то время как усилитель сигнала может быть в большинстве случаев выбран им из готовых или по его техниче­скому заданию разработан специалистом в области радиоэлектро­ники. Основные требования, предъявляемые к усилителю, относятся к следующим его параметрам и характеристикам: коэффициенту усиления, динамическому диапазону, полосе пропускания и уровню собственного шума. Кроме того, иногда оговаривается форма частот­ной и фазовой характеристики усилителя, его габариты, вес и потреб­ляемая мощность.

Обычно усилитель сигнала конструктивно разделяется на- две части, одна из которых (предусилитель) монтируется в непосред­ственной близости от приемника излучения и служит для предвари­тельного усиления сигнала до уровня, достаточного для последующей передачи сигнала по длинному кабелю в условиях действия окру­жающих нестационарных электрических и магнитных полей, а другая (главный усилитель) содержит необходимые элементы регулировки усиления, полосы пропускания и других параметров. Коэффициент усиления предусилителя обычно находится в пределах 10—10³, а общий коэффициент усиления может достигать 10⁶.

На выходе приемника излучения существует сигнал, несущий информацию об объекте наблюдения, и шум. Для выделения и обработки полезного сигнала из смеси сигнала и шума в усилителе и в электрических цепях, следующих за усилителем, содержатся линей­ные и нелинейные элементы — устройства формирования и декодиро­вания, схемы совпадения, обратные связи и т. д., осуществляющие необходимые логические операции. В простейшем случае операция выделения сигнала из шума заключается в частотном анализе смеси сигнала и шума с помощью узкополосных электрических фильтров, а операция обработки сигнала — в его детектировании. Однако обычно требуются более сложные решения.

Для регистрации обработанного сигнала применяются различные визуальные, звуковые, фотографические, осциллографические инди­каторы и автоматические системы.

Таким образом, обобщенная схема электрической части тракта оптико-электронного прибора может быть представлена в виде, изображенном на рис. 6. В каждом конкретном случае структурная схема электрической части оптико-электронного прибора может отличаться от обобщенной схемы, а функции ее отдельных элементов могут быть совмещены и видоизменены.

ЛИТЕРАТУРА

Степанов Б.И. Введение в современную оптику. - Мн.: Наука и техника, 2004 - 359 с.

Порфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем.— Спб.: Машиностроение, 2000 -- 272 с.

Москалев В.А. Теоретические основы оптико-физических исследований.— Спб.: Машиностроение, 2007 -- 318 с.